面试题：进程管理之上下文切换对进程执行效率的高级难度问题

Question

假设一个系统中有多个I/O密集型进程和CPU密集型进程，不同类型进程的上下文切换对系统整体执行效率会产生怎样不同的影响？如何通过调度算法来优化这种影响？

Answer 1

I/O密集型进程上下文切换影响

1. 资源利用：I/O密集型进程通常在I/O操作上花费大量时间，等待I/O完成时会让出CPU。上下文切换时，虽然会有一定开销，如保存和恢复寄存器、进程状态等，但由于其CPU占用时间短，这种开销对整体系统执行效率影响相对较小。并且适当的上下文切换可以让CPU在I/O等待期间去执行其他进程，提高CPU利用率。
2. 响应时间：频繁上下文切换可能会略微增加I/O密集型进程的响应时间，因为每次切换都需要一定时间来恢复进程状态。但如果调度合理，I/O密集型进程能及时获得CPU资源进行I/O前的准备工作，整体响应时间仍可接受。

CPU密集型进程上下文切换影响

1. 资源浪费：CPU密集型进程长时间占用CPU进行计算。上下文切换会带来较大开销，因为保存和恢复进程状态信息较多，且CPU高速缓存中与该进程相关的数据可能在切换后失效，重新执行时需要重新加载，这会浪费大量CPU时间，降低系统执行效率。
2. 吞吐量下降：频繁上下文切换会使CPU密集型进程不能连续执行，打断其执行流程，导致完成任务所需的总时间增加，系统整体吞吐量下降。

调度算法优化方式

1. 时间片轮转调度算法：对于I/O密集型进程，时间片可适当缩短，这样能让它们在短时间内完成I/O前的计算工作后迅速让出CPU，以便其他进程使用。对于CPU密集型进程，时间片可适当延长，减少上下文切换频率，提高其执行效率。
2. 多级反馈队列调度算法：可以设置多个优先级队列，将新进程放入较高优先级队列，以较短时间片运行。如果进程在时间片内未完成，将其移到下一级队列，时间片相应增加。I/O密集型进程通常能在高优先级队列快速完成I/O相关计算并让出CPU，而CPU密集型进程会逐渐进入低优先级队列，获得较长时间片，减少上下文切换。
3. 公平调度算法：如公平共享调度（FSS），根据进程权重分配CPU时间，对于I/O密集型进程可给予较高权重，使其能优先获得CPU资源进行I/O准备，而对于CPU密集型进程，权重相对较低，这样在保证公平性的同时优化系统整体性能。